光扫描装置及其控制方法

技术领域

本发明的技术涉及一种光扫描装置及其控制方法。

背景技术

在LiDAR(Light Detection and Ranging：激光雷达)的领域中，可获得360°的视野的全向型备受瞩目。在全向型LiDAR装置中有组合MEMS(Micro Electr o MechanicalSystems：微机电系统)反射镜和全向透镜而构成的装置。使用MEM S反射镜的LiDAR装置能够实现轻型且低成本化。

在全向型LiDAR装置中，MEMS反射镜需要利用光束对全向透镜的环状入射面毫无遗漏地进行扫描。为了更高效地对上述范围进行扫描，期望MEMS反射镜进行螺旋扫描，以使光束的矢径随时间线性变化，因此要求进行反射镜部的摆动角度振幅(以下，称为摆动振幅。)以相同速度发生变化的螺旋旋转动作。而且，在将该LiDAR装置搭载于移动体等上来使用的情况下，以高帧速率对更广的范围进行扫描是重要的。因此，要求进一步增加反射镜部的摆动振幅的变化速度。

在专利文献1中记载了一种与MEMS反射镜的螺旋旋转动作相关联的技术。在专利文献1中公开了一种光扫描装置，其具备：摆动板；第1摆动机构，与包括摆动板的平面平行并且使摆动板发生围绕第1轴的第1摆动；及第2摆动机构，与包括摆动板的平面平行，并且以与第1摆动相同的频率且在相差约90°的相位使摆动板发生围绕与第1轴垂直的第2轴的第2摆动。并且，在专利文献1中公开了，通过使第1摆动及第2摆动的振幅均随时间增大或减小而使由摆动板反射的光的扫描位置移动以绘制旋涡(即，进行螺旋旋转动作)。

专利文献1：日本特开2008-170500号公报

在专利文献1中，通过将MEMS反射镜设为对称性高的结构而使MEMS反射镜进行螺旋旋转动作。具体而言，为了将MEMS反射镜设为对称性高的结构，使第1轴及第2轴的特性(刚性、质量、衰减等)完全一致之后，使驱动频率与谐振频率大致一致。这是以在第1轴和第2轴上谐振频率及谐振Q值完全一致为前提的驱动控制。通过使用谐振现象，能够以低消耗电力使MEMS反射镜进行螺旋旋转动作。

然而，实际上，根据MEMS反射镜的加工误差、温度依赖性、经时特性变化等，在第1轴和第2轴上谐振频率通常不一致。尤其，若谐振频率经时变化，则驱动频率偏离谐振频率。此时，为了维持螺旋旋转动作，需要使驱动电压大幅上升。其结果，驱动所需的消耗电力变大。并且，为了在大的温度范围内维持螺旋旋转动作，需要扩展驱动电路的消耗电力的动态范围，存在整体的消耗电力变大的问题。

发明内容

本发明的技术的目的在于提供一种驱动所需的消耗电力小且能够减小伴随经时变化的消耗电力的变化的光扫描装置及其控制方法。

为了实现上述目的，本发明的光扫描装置具备：反射镜装置，其具有反射镜部、第1致动器及第2致动器，上述述反射镜部具有反射入射光的反射面，并且能够围绕相互正交的第1轴及第2轴摆动，上述第1致动器通过对反射镜部施加围绕第1轴的转矩而使反射镜部围绕第1轴摆动，上述第2致动器通过对反射镜部施加围绕第2轴的转矩而使反射镜部围绕第2轴摆动；以及处理器，向第1致动器提供第1驱动信号，并且向第2致动器提供第2驱动信号，其中，处理器通过将第1驱动信号及第2驱动信号设为周期电压信号，使反射镜部进行螺旋旋转动作，在将伴随围绕第1轴的反射镜倾斜摆动的谐振模式中最接近周期电压信号的频率的谐振模式的谐振频率及谐振Q值分别设为f

优选，周期电压信号为振幅及相位随时间变化的信号。

优选，螺旋旋转动作为反射镜部的围绕第1轴的摆动振幅及围绕第2轴的摆动振幅分别在第1值至第2值的范围内随时间变化的动作。

优选，第2值大于第1值，围绕第1轴的摆动振幅为第2值时的谐振频率及谐振Q值为f

本发明的光扫描装置的控制方法中，上述光扫描装置具备反射镜装置，上述反射镜装置具有：反射镜部，具有反射入射光的反射面，并且能够围绕相互正交的第1轴及第2轴摆动；第1致动器，通过对反射镜部施加围绕第1轴的转矩而使反射镜部围绕第1轴摆动；及第2致动器，通过对反射镜部施加围绕第2轴的转矩而使反射镜部围绕第2轴摆动，上述光扫描装置的控制方法中，通过将向第1致动器提供的第1驱动信号和向第2致动器提供的第2驱动信号设为周期电压信号，使反射镜部进行螺旋旋转动作，在将伴随围绕第1轴的反射镜倾斜摆动的谐振模式中最接近周期电压信号的频率的谐振模式的谐振频率及谐振Q值分别设为f

根据本发明的技术，能够提供一种驱动所需的消耗电力小且能够减小伴随经时变化的消耗电力的变化的光扫描装置及其控制方法。

附图说明

图1是光扫描装置的概略图。

图2是表示驱动控制部的硬件结构的一例的框图。

图3是微镜装置的概略图。

图4是说明反射镜部摆动时的偏转角的图，图4的(A)表示第1偏转角，图4的(B)表示第2偏转角。

图5是表示向第1致动器及第2致动器提供的驱动信号的一例的图，图5的(A)表示第1驱动信号，图5的(B)表示第2驱动信号。

图6是表示第1谐振频率与第2谐振频率的关系的图，图6的(A)表示两者一致的情况，图6的(B)表示两者不一致的情况。

图7是表示消耗电力及能够减小消耗电力的变化的驱动频率的频率范围的图。

图8是表示实施例1及实施例2中所使用的驱动条件的图。

图9是说明第1谐振Q值的定义的图。

图10是表示1个调制周期内的驱动电压波形随时间的变化的图，图10的(A)表示第1驱动信号的波形，图10的(B)表示第2驱动信号的波形。

图11是表示1个调制周期内的螺旋轨道的图，图11的(A)表示扩张期间中的螺旋轨道，图11的(B)表示收缩期间中的螺旋轨道。

图12是表示相对于驱动频率的电压振幅的最大值、消耗电力及消耗电力变化量的图。

图13是表示消耗电力及消耗电力变化量对驱动频率的依赖性的曲线图。

图14是表示第1谐振频率、第2谐振频率、第1谐振Q值及第2谐振Q值的测量值的图。

图15是表示1个调制周期内的驱动电压波形随时间的变化的图，图15的(A)表示第1驱动信号的波形，图15的(B)表示第2驱动信号的波形。

图16是表示1个调制周期内的螺旋轨道的图，图16的(A)表示扩张期间中的螺旋轨道，图16的(B)表示收缩期间中的螺旋轨道。

图17是表示相对于驱动频率的电压振幅的最大值、消耗电力及消耗电力变化量的图。

图18是表示消耗电力及消耗电力变化量对驱动频率的依赖性的曲线图。

图19是表示第1谐振频率、第2谐振频率、第1谐振Q值及第2谐振Q值的测量值的图。

符号说明

2-MEMS反射镜，3-光源，4-驱动控制部，5-被扫描面，10-光扫描装置，20-反射镜部，20A-反射面，21-第1致动器，21A-第1可动部，21B-第2可动部，22-第2致动器，22A-第1可动部，22B-第2可动部，23-支撑框，24-第1支撑部，25-第2支撑部，26-连接部，27-固定部，43-光源驱动部，44-反射镜驱动部，L-光束，N-法线，R-频率范围，TE-扩张期间，TS-收缩期间，T

具体实施方式

根据附图，对本发明的技术所涉及的实施方式的一例进行说明。

图1概略地表示一实施方式所涉及的光扫描装置10。光扫描装置10具有MEM S反射镜2、光源3及驱动控制部4。光扫描装置10根据驱动控制部4的控制，通过利用MEMS反射镜2反射从光源3照射的光束L来对被扫描面5进行光扫描。被扫描面5例如为屏幕。MEMS反射镜2为本发明的技术所涉及的“反射镜装置”的一例。

在将光扫描装置10应用于LiDAR装置的情况下，MEMS反射镜2与全向透镜组合而构成。此时，MEMS反射镜2利用光束L对全向透镜的环状入射面进行扫描。

MEMS反射镜2为能够使反射镜部20(参考图3)围绕第1轴a

在本实施方式中，示出了第1轴a

光源3是作为光束L例如发出激光的激光装置。光源3优选在MEMS反射镜2的反射镜部20静止的状态下，与反射镜部20所具备的反射面20A(参考图3)垂直地照射光束L。

驱动控制部4根据光扫描信息来将驱动信号输出到光源3及MEMS反射镜2。光源3根据所输入的驱动信号来产生光束L而照射到MEMS反射镜2。MEMS反射镜2根据所输入的驱动信号来使反射镜部20围绕第1轴a

详细内容将在后面叙述，但是驱动控制部4使反射镜部20进行包括围绕第1轴a

图2表示驱动控制部4的硬件结构的一例。驱动控制部4具有CPU(CentralProcessing Unit：中央处理单元)40、ROM(Read Only Memory：只读存储器)41、RAM(RandomAccess Memory：随机存取存储器)42、光源驱动部43及反射镜驱动部44。CPU40为通过将程序及数据从ROM41等存储装置读出到RAM42并执行处理来实现驱动控制部4的整体功能的运算装置。CPU40为本发明的技术所涉及的“处理器”的一例。

ROM41为非易失性存储装置，并且存储有用于CPU40执行处理的程序及前述光扫描信息等数据。RAM42为临时保存程序及数据的非易失性存储装置。

光源驱动部43为根据CPU40的控制将驱动信号输出到光源3的电路。在光源驱动部43中，驱动信号为用于控制光源3的照射定时及照射强度的驱动电压。

反射镜驱动部44为根据CPU40的控制将驱动信号输出到MEMS反射镜2的电路。在反射镜驱动部44中，驱动信号为用于控制使反射镜驱动部44的反射镜部20摆动的定时、周期及偏转角的驱动电压。详细内容将在后面叙述，但是在驱动信号中包括第1驱动信号和第2驱动信号。

例如，在反射镜驱动部44中，驱动信号被制作成数字信号，并且经由DAC(DigitalAnalog Converter：数模转换器)及放大器输出。驱动信号可以作为基于数字信号源的分辨率位数的阶梯状波形输出。并且，驱动信号还能够由脉冲信号和带通滤光片等制作。

CPU40根据光扫描信息来控制光源驱动部43及反射镜驱动部44。光扫描信息为表示如何在被扫描面5上扫描光束L的信息。在本实施方式中，是表示在被扫描面5上以绘制螺旋轨道的方式扫描光束L的信息。另外，例如，在将光扫描装置10应用于LiDAR装置的情况下，在光扫描信息中包括照射距离测定用光束L的定时及照射范围等。

接着，利用图3对MEMS反射镜2的结构的一例进行说明。图3是MEMS反射镜2的概略图。

MEMS反射镜2具有反射镜部20、第1致动器21、第2致动器22、支撑框23、第1支撑部24、第2支撑部25、连接部26及固定部27。MEMS反射镜2例如通过对SOI(Silicon OnInsulator：绝缘体上硅)基板进行蚀刻处理来形成。

反射镜部20具有反射入射光的反射面20A。反射面20A由设置于反射镜部20的一面的、例如金(Au)或铝(Al)等的金属薄膜形成。反射面20A例如为圆形。

支撑框23以包围反射镜部20的方式配置。第2致动器22以包围反射镜部20及支撑框23的方式配置。第1致动器21以包围反射镜部20、支撑框23及第2致动器22的方式配置。

第1支撑部24在第1轴a

第2支撑部25在第2轴a

连接部26在第1轴a

固定部27的外形为矩形，并且包围第1致动器21。固定部27的X方向及Y方向上的长度例如分别为1mm～10mm左右。固定部27的Z方向上的厚度例如为5μm～0.2mm左右。

第1致动器21及第2致动器22分别为具备压电元件的压电致动器。第1致动器21对反射镜部20施加围绕第1轴a

第1致动器21为在XY面内包围反射镜部20、支撑框23及第2致动器22的环状薄板部件。第1致动器21由一对第1可动部21A及第2可动部21B构成。第1可动部21A及第2可动部21B分别为半环状。第1可动部21A和第2可动部21B为相对于第1轴a

支撑框23为在XY面内包围反射镜部20的环状薄板部件。

第2致动器22为在XY面内包围反射镜部20及支撑框23的环状薄板部件。第2致动器22由一对第1可动部22A及第2可动部22B构成。第1可动部22A及第2可动部22B分别为半环状。第1可动部22A和第2可动部22B为相对于第2轴a

在第1致动器21中，在第1可动部21A及第2可动部21B分别设置有压电元件。并且，在第2致动器22中，在第1可动部22A及第2可动部22B分别设置有压电元件。

另外，在本例中，第1致动器21和第2致动器22分别作为单独的环状结构体而构成，但是并不限于此，可以构成为在一个结构体内并存。例如，在一个环状结构体中将压电体分割配置。向如此通过分割进行了个体化的两个压电体部分分别提供第1驱动信号及第2驱动信号，由此能够实现围绕第1轴a

图4中，对反射镜部20摆动时的偏转角进行说明。图4的(A)表示反射镜部20的围绕第1轴a

如图4的(A)所示，将反射镜部20的反射面20A的法线N在YZ平面中倾斜的角度称为第1偏转角θ

第1偏转角θ

如图4的(B)所示，将反射镜部20的反射面20A的法线N在XZ平面中倾斜的角度称为第2偏转角θ

第2偏转角θ

图5表示向第1致动器21及第2致动器22提供的驱动信号的一例。图5的(A)表示包括在第1驱动信号中的驱动电压波形V

驱动电压波形V

[数式1]

V

[数式2]

V

在此，t为时间。f

即，第1驱动信号为振幅及相位随时间变化的周期电压信号。通过将驱动电压波形V

驱动电压波形V

[数式3]

[数式4]

在此，t为时间。f

即，第2驱动信号为振幅及相位随时间变化的周期电压信号。通过将驱动电压波形V

第1驱动信号的振幅A

[数式5]

A

[数式6]

γ

[数式7]

A

[数式8]

关于系数m

例如，系数m

作为检测偏转角的传感器，有如下方法：利用光传感器检测从设置于MEMS反射镜2的外部的光源3射出并由反射镜部20反射的光束L的反射光的方法；及在MEMS反射镜2上组装产生与应力相对应的电压的应变传感器等的方法等。

如上所述，本申请人在日本特願2021-102628中提出了如下：将第1驱动信号及第2驱动信号分别设为振幅及相位随时间变化的周期电压信号，适当地确定与振幅及相位随时间的变化相关联的系数m

振幅A

并且，螺旋轨道的线间隔相当于距离图像的分辨率。为了使帧速率变高并且使线间隔变窄，以无疏密且相等间隔进行扫描是最有效的，并且优选。在本实施方式中，为了使螺旋轨道的线间隔成为相等间隔，实现了矢径线性变化的螺旋旋转动作。

并且，在本实施方式中，在1个调制周期T

在MEMS反射镜2中存在伴随反射镜部20围绕第1轴a

理想的是，如图6的(A)所示，MEMS反射镜2设计成第1谐振频率f

然而，实际上，如图6的(B)所示，根据MEMS反射镜2的加工误差、温度依赖性、经时特性变化等，第1谐振频率f

因此，本申请人发现了，如图7所示，使MEMS反射镜2的围绕第1轴a

在此，第2谐振频率f

换句话说，本申请人发现了，在Q

[数式9]

另外，第1谐振频率f

上式(7)表示在优选的频率范围R内包括第1谐振频率f

在中央区域存在相对宽的消耗电力小的区域。认为这是因为，通过反射镜部20在两种谐振模式下同时振动，产生惯性力等相互作用，与独立地驱动各轴的情况相比能量效率提高。

并且，认为在外周区域鲁棒性扩展到低频侧是因为，由于第1轴a

并且，通过在第1轴a

谐振Q值由动能与消能的均衡确定。因此，通过设计MEMS反射镜2的结构以使这些因子成为适当的值，能够实现目标谐振Q值。例如，通过在反射镜部20或支撑框23的背面设置具有厚度的框架结构(也称为肋)，增大贯性矩而增大动能。由此，能够分别单独增加第1谐振Q值Q

以下，对实施例进行说明。在以下实施例1及实施例2中，示出驱动MEMS反射镜2，在使反射镜部20进行螺旋旋转动作的状态下测量消耗电力而得的结果。

图8表示实施例1及实施例2中所使用的驱动条件。在实施例1及实施例2中，通过向MEMS反射镜2提供基于以下驱动条件的第1驱动信号及第2驱动信号而使反射镜部20进行了螺旋旋转动作。然后，在反射镜部20进行螺旋旋转动作的状态下，将光束L从光源3照射到反射镜部20。使反射镜部20所反射的光束L射入到PSD(Position Sensor Diode：双光杠杆)元件，将从PSD元件输出的电压信号转换到光束L的入射位置，由此对螺旋轨道进行了评价。

并且，通过以下方法测定了MEMS反射镜2的谐振频率。通过将正弦波的电压信号仅输入到第1致动器21而使反射镜部20进行围绕第1轴a

并且，反射镜部20的螺旋旋转动作为围绕第1轴a

图9说明第1谐振Q值Q

[数式10]

在此，f

[实施例1]

如图8所示，在实施例1中，将调制周期T

在实施例1中，将第1驱动信号的振幅A

图10表示1个调制周期T

向MEMS反射镜2提供了由图10的(A)所示的驱动电压波形V

图11表示1个调制周期T

接着，使驱动频率f

图12表示相对于驱动频率f

图13是表示消耗电力及消耗电力变化量对驱动频率f

如图13所示，可知通过将驱动频率f

[实施例2]

接着，对实施例2进行说明。如图8所示，在实施例2中，将调制周期T

在实施例2中，与实施例1同样地，将第1驱动信号的振幅A

向MEMS反射镜2提供了由图15的(A)所示的驱动电压波形V

图16表示1个调制周期T

接着，使驱动频率f

图17表示相对于驱动频率f

图18是表示消耗电力及消耗电力变化量对驱动频率f

如图18所示，可知通过将驱动频率f

另外，上述实施方式中的第1轴a

并且，上述实施方式中所示的MEMS反射镜2的结构能够适当变更。例如，在上述实施方式中，将第1致动器21及第2致动器22设为环状，但是还能够将第1致动器21及第2致动器22中的一者或两者设为弯曲结构。并且，作为第1支撑部24及第2支撑部25，还能够使用除了扭力杆以外的结构的支撑部件。

并且，驱动控制部4的硬件结构能够进行各种变形。驱动控制部4的处理部可以由1个处理器构成，也可以由相同种类或不同种类的2种以上的处理器的组合(例如，多个FPGA(Field Programmable Gate Array：现场可编程门阵列)的组合和/或CPU与FPGA的组合)构成。

本说明书中所记载的所有文献、专利申请及技术标准与各文献、专利申请及技术标准通过参考而被具体且分别记载的情况相同程度地，通过参考而被编入本说明书中。